大型陶瓷基板中焊接合金与金属散热器附件应用的对比

如今很多电子元件为了免受腐蚀性、潮湿环境的影响需要保护，以确保可接受的使用寿命和可靠性。大多数情况下，保形涂层是不够的。大多数商用电源模块采用聚合物封装。而一些高可靠性电源模块则被密封在由惰性气体保护的金属封装中。

在大多数航空航天和军用电子产品都需要满足苛刻的环境压力并在长期使用时保持电气稳定性要求。在航空电子领域，尤其是卫星电力电子应用中的温度波动下，材料CTE失配是决定空间电子设备可靠性的主要因素。而在较大的温度波动下，采用多芯片、多层厚膜陶瓷基板技术的密封微电路与封装电子器件相比具有很大优势。

主要原因是由于封装聚合物的热膨胀系数（CTE）不匹配和玻璃化转变，密封微电路没有封装剂对元件、焊点和导线施加很大的力。这些热机械力是周期性的，会导致焊点和组件疲劳。因此，多芯片、多层厚膜陶瓷基板技术在航空电子领域，特别是在空间应用中仍然存在并发挥着重要作用。密封的多芯片、多层厚膜陶瓷基板技术有时被称为混合技术。

即使没有引起应力的聚合物密封剂，混合技术设计也存在CTE失配挑战。由于大的线性尺寸和两种不同材料的CTE不匹配，大型陶瓷基板到金属散热器的连接应用是独一无二的。陶瓷基板通常连接到金属散热器上，用于结构支撑和散热。

一、大型陶瓷基板失效机理
在上述条件下，稳定化烘烤会导致金属间化合物的生长和相粗化，这会削弱焊料。由于陶瓷基板和金属散热器的CTE不匹配，热循环会导致焊点断裂。通常，热循环会导致基板中的潜在缺陷到散热器焊点。

尽管最近对铅含量的限制，一些行业继续在焊料应用中使用铅基合金。用于空间应用的微电路电子器件中的多层厚膜陶瓷基板技术使用锡铅银合金Sn62（Sn62%、Pb36%、Ag2%）和无铅焊料合金 Sn96（Sn96.5%、Ag3.5%），特别是锡铅基合金已被证明对锡、镍、铜、金和银金属化表面具有出色的可焊性。与大多数无铅焊料相比，锡铅焊料在正常工作温度下的抗高循环疲劳性能也更好。因此，它们仍然广泛用于航空航天和军用电子行业，高周疲劳最有可能是最高应力。

然而，在一种特定的应用中，无铅焊料合金Sn96（Sn96.5%，Ag3.5%）的性能优于锡铅焊料。那时陶瓷基板到金属散热器附件的应用，在该应用中，低周热疲劳是主要的应力因素。

虽然没有静态拉力要求，但静态拉力测试比恒定加速具有更好的受控环境。焊料通常不会在压缩负载下失效，它们在拉伸和剪切载荷下失效。根据之前的多项测试和FEA分析，该应用中的决定性负载是焊料的拉伸负载，它会导致陶瓷基板和镀金金属散热器之间的焊料结合最终失效。

随着电子技术的进步，为了容纳更多的电子元件，基板变得越来越大。金属散热器和陶瓷基板之间的CTE不匹配会对附着材料产生显着的热机械应力，最流行的陶瓷到金属连接材料是焊料。

审核编辑：汤梓红